武新柱，張云鶴，石志鵬，劉振華，張世翰，劉海洋，胡新亮，廉德萌

（國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306）

本文研究的通徑DG160～DG200大型插裝閥主要用于快鍛及其他快速工作系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)，工作頻率達80～90次/分，這就要求插裝閥必須具備快速啟閉特性、頻繁換向且高速運動、承受重載沖擊，在工作環(huán)境溫度-20℃～80℃、運動速度高達200mm/s條件下具備運動靈活、快速換向，可靠無卡阻。這就對插裝閥的關(guān)鍵零件閥芯閥套的密封有個更高的要求。要確保元件在高速運行下密封效果好，壓力保持平穩(wěn)。

密封設(shè)計是液壓系統(tǒng)和液壓元件設(shè)計的關(guān)鍵部分。內(nèi)泄露，會引起液壓系統(tǒng)容積效率的急劇下降，達不到所需的工作壓力，使機械設(shè)備無法正常運作。外泄露，會造成工作介質(zhì)浪費和污染環(huán)境，甚至引發(fā)機械操作失靈和人身事故。因此，正常設(shè)計和使用密封件是保證液壓設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的重要保證。

大流量插裝閥主要有三種密封，分別是O型圈密封、閥芯閥套之間的金屬圓柱密封、閥芯頭部錐面緊貼在閥座上的線密封。本文主要分析閥芯閥套之間的金屬圓柱密封。

1 閥芯與閥套圓柱密封的分析與優(yōu)化

插裝閥閥芯和閥套之間具有一定的配合間隙，配合間隙內(nèi)的流場特性直接影響閥的性能。閥芯閥套之間配合間隙的大小隨著閥套的長度大小、直徑大小、間隙大小，閥芯上是否有均壓槽，閥芯閥套中心線是否有偏心距等的不同而不同，對閥芯閥套之間間隙特性的研究，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，是液壓技術(shù)中的重要研究方向。

隨著閥芯閥套之間間隙參數(shù)的不同，間隙之間的流體流動的一些現(xiàn)象也會改變，但總是以流體在間隙之間流動的運動學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)的，所以應(yīng)當把研究閥芯閥套之間縫隙內(nèi)流體的流動狀況以及流體與閥芯閥套的固體部件之間的動力學(xué)相聯(lián)系。

液壓元件出現(xiàn)卡緊時，會對液壓系統(tǒng)以及閥的工作性能產(chǎn)生很大影響，輕者會使閥芯運動時的摩擦力增加，造成動作遲緩。重者會使液壓元件內(nèi)的相對移動完全卡住，不能運動，造成不能動作的現(xiàn)象，甚至還會危及設(shè)備甚至人身安全。過大的泄漏量不但能造成能量損失，同時影響執(zhí)行機構(gòu)的正常工作和運動速度。

本文深入分析插裝閥工作機理，采用現(xiàn)代微摩擦學(xué)和液壓往復(fù)密封理論，分析主閥內(nèi)閥芯、閥套間滑動密封時的穿漏、滲漏狀況，優(yōu)化了各部分的配合公差和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.1 縫隙流動泄漏量的研究

閥芯與閥套之間的配合間隙直接關(guān)系到閥的動作可靠性和泄漏量的大小。如果間隙過小，則閥芯動作不夠靈活，溫度升高后甚至使閥芯卡死；若果間隙太大，則泄漏量加大，造成功率損失，甚至引起元件誤動作。

配合間隙的正確選取，并不是易事。它直接牽連到閥芯直徑、油液粘度、零件材料、加工工藝水平等多種因素，通常需要試驗來進行確定。設(shè)計中，參考Chaimowitsch給出的閥芯直徑與配合間隙的關(guān)系曲線圖，如圖1所示。

圖1中，實線表示沒有密封裝置的情況，最大間隙曲線表示受泄漏量限制所給出的間隙最大值，最小間隙曲線表示保證閥芯動作可靠性所給出的間隙最小值。點畫線則表示閥芯、閥套間有密封裝置的情況，其是在實線的基礎(chǔ)上相應(yīng)放大并作分段處理而得到的。

在確定閥芯與閥套之間的配合間隙時，設(shè)計中常選定間隙下限為上限的50%～70%。

采用泄漏量公式進行初算，按最大偏心環(huán)形縫隙流動情況處理，有如下公式：

圖1 閥芯直徑-配合間隙關(guān)系曲線

式中：QX——環(huán)形縫隙泄漏量；

δ——閥芯與閥套之間的半徑間隙；

μ——油液動力粘度；

Lf——有效封油長度；

通過對插裝閥多年的生產(chǎn)和使用經(jīng)驗，通徑DG160～DG200閥芯閥套圓柱面配合間隙控制在0.04～0.08mm較為合理，既能達到精度要求又能保證加工的經(jīng)濟性。

代入文本所設(shè)計的大流量閥中，計算得出以下泄漏量值，如表1所示。

如圖2所示為DG200插件的閥芯閥套圓柱密封實物圖。

圖2 DG200插件閥芯與閥套圓柱密封

1.2 液壓卡緊力的影響及采取措施

如果閥芯與閥套都是完全精確的圓柱形，而且徑向間隙中不存在任何雜質(zhì)、徑向間隙處處相等，就不會存在因泄露而產(chǎn)生的徑向不平衡力。但事實上，閥芯和閥套的幾何形狀及相對位置均有誤差，使液體在流過閥芯與閥套間隙時產(chǎn)生了徑向不平衡力，稱之為側(cè)向力。由于這個側(cè)向力的存在，從而引起閥芯移動時的軸向摩擦力，稱之為卡緊力。如果閥芯的驅(qū)動力不足以克服這個阻力，就會發(fā)生所謂的卡緊現(xiàn)象。

表1 閥芯、閥套配合間隙與泄漏量值

閥芯上的側(cè)向力如圖3所示，圖3中P1和P2分別為高、低壓腔的壓力。圖3a表示閥芯因加工誤差而帶有倒錐（錐部大端在高壓腔），同時閥芯與閥套軸心線平行但不重合而向上有一個偏心距e。如果閥芯不帶錐度，在縫隙中壓力呈三角形分布（圖中點劃線所示）?，F(xiàn)因閥芯有倒錐，高壓端的縫隙小，壓力下降較快，故壓力分布呈凹形，如圖3a中實線所示；而閥芯下部間隙較大，縫隙兩端的相對差值較小，所以3b比3a凹得較小。這樣，閥芯上就受到一個不平衡的側(cè)向力，且指向偏心一側(cè)，直到二者接觸為止。圖3b所示為閥芯帶有順錐（錐部大端在低壓腔），這時閥芯如有偏心，也會產(chǎn)生側(cè)向力，但此力恰好是使閥芯恢復(fù)到中心位置，從而避免了液壓卡緊。圖3c所示為閥芯因彎曲等原因而傾斜時的情況，由圖可見，該情況的側(cè)向力較大。

根據(jù)流體力學(xué)對偏心漸擴環(huán)形間隙流動的分析，可計算出側(cè)向力的大小。當閥芯完全偏向一邊時，閥芯出現(xiàn)卡緊現(xiàn)象，此時的側(cè)向力最大。最大液壓側(cè)向力值為：

則移動閥芯需要克服的液壓卡緊力為：

式中：f——摩擦系數(shù)，介質(zhì)為液壓油時，取f=0.04～0.08。

為了減小液壓卡緊力，可采取以下措施：

（1）在倒錐時，盡可能地減小，即嚴格控制閥芯或閥套的錐度，但這將給加工帶來困難。

（2）在閥芯上開均壓槽。均壓槽可使同一圓周上各處的壓力油互相溝通，并使閥芯在中心定位。開了均壓槽后，引入液壓卡緊力修正系數(shù)為K，可將式（3）修正為：

開一條均壓槽時，K=0.4；開三條均壓槽時，K=0.063；開七條均壓槽時，K=0.027。槽的深度和寬度至少為間隙（閥芯與閥套的間隙）的10倍，通常取寬度為0.3～0.5mm，深度為0.8～1mm。槽的邊緣應(yīng)與孔垂直，并呈銳緣，以防臟物擠入間隙。槽的位置盡可能靠近高壓腔；如果沒有明顯的高壓腔，則可均勻地開在閥芯表面上。開均壓槽雖會減小油封長度，但因減小了偏心環(huán)形縫隙的泄漏，所以開均壓槽反而使泄漏量減少。

綜上所述，所以開均壓槽是減小液壓卡緊力最簡便最有效的方法。

圖4為本文大流量插裝閥閥芯上均壓槽的示意圖，根據(jù)多年積累的經(jīng)驗以及多次的試驗結(jié)果，DG160～DG200插件上均壓槽個數(shù)均取7個，槽寬5mm，槽深1mm。如圖5、圖6所示，其余閥芯的均壓槽不一一列舉。圖7為實物圖。

圖3 閥芯上的側(cè)向力

圖4 均壓槽示意圖

圖5 DG160插裝閥閥芯上均壓槽

圖6 DG180插裝閥閥芯上均壓槽

圖7 DG200插件均壓槽

2 總結(jié)

密封設(shè)計是液壓系統(tǒng)和液壓元件設(shè)計的關(guān)鍵部分，本文深入分析了大流量插裝閥（通徑DG160～DG200）主閥內(nèi)閥芯、閥套間滑動密封的各種狀況，在設(shè)計時優(yōu)化了配合公差和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在高壓高速運轉(zhuǎn)下進行了各種密封試驗，均能確保元件在高速運行下密封效果好，壓力保持平穩(wěn)，抗污染能力強，滿足了加工設(shè)備的精度要求。